CN115811183A - 带有电机外壳热流体固持器的涡轮机械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带有电机外壳热流体固持器的涡轮机械。一种涡轮机械包括带有电机外壳的外壳。另外，涡轮机械包括旋转组，该旋转组被支撑以在外壳内旋转。此外，涡轮机械包括构造为电动马达和发电机中的至少一者的电机，该电机可操作地联接到旋转组，并且包括容纳在电机外壳内的定子。此外，涡轮机械包括热桥构件，该热桥构件在定子和电机外壳之间延伸，以限定热量从定子传递到电机外壳的热路径。电机外壳包括限定热桥构件的外部边界的热桥固持器构件。

Description

带有电机外壳热流体固持器的涡轮机械

技术领域

本公开总体上涉及一种涡轮机械，并且更特别地涉及一种带有具有热流体固持器构件的电机外壳的涡轮机械。

背景技术

一些涡轮机械设置有电机。例如，一些涡轮增压器、机械增压器和其它压缩机设备可以包括压缩机部段，该压缩机部段经由外壳内的旋转组的旋转来压缩流体，并且这些设备还可以包括驱动(或辅助驱动)旋转组的旋转的电动马达。另外，一些设备可以包括将旋转组的旋转能转换为电能的发电机。

然而，挑战依然存在。过高的温度可能负面地影响这些设备的操作和/或效率。在这些配备有电机的涡轮机械的操作期间，电机可能导致和/或有助于温度升高。常规的冷却系统/特征对一些电机可能是不够的。另外，这些冷却系统/特征可以降低可制造性和/或增加成本。

因此，希望提供一种涡轮机械，该涡轮机械带有具有改进的冷却特征的可操作地附接的电机。还希望提供一种也是高度可制造和成本有效的涡轮机械。结合附图和本背景讨论，本公开的其它期望的特征和特性将从随后的详细描述和所附权利要求书变得显而易见。

发明内容

在一个实施例中，公开了一种涡轮机械，其包括带有电机外壳的外壳。另外，涡轮机械包括旋转组，该旋转组被支撑以在外壳内旋转。此外，涡轮机械包括构造为电动马达和发电机中的至少一个的电机，该电机可操作地联接到旋转组，并且包括容纳在电机外壳内的定子。此外，涡轮机械包括热桥构件，该热桥构件在定子和电机外壳之间延伸，以限定热量从定子传递到电机外壳的热路径。电机外壳包括限定热桥构件的外部边界的热桥固持器构件。

在另一个实施例中，公开了一种制造涡轮机械的方法，该方法包括提供外壳，该外壳包括电机外壳和固持器构件。另外，该方法包括支撑旋转组以在外壳内旋转。此外，该方法包括将电机可操作地联接到旋转组。该电机被构造为电动马达和发电机中的至少一个。另外，该方法包括使热桥构件在电机的定子和电机外壳之间延伸以限定热量从定子传递到电机外壳的热路径。此外，该方法包括利用固持器构件限定热桥构件的外部边界。

在附加实施例中，公开了一种电增压设备，其包括带有马达外壳的外壳。马达外壳具有内轴向表面。电增压设备还包括被支撑以在外壳内旋转的旋转组。此外，该电增压设备包括由外壳和旋转组协同地限定的流体压缩机部段。此外，该电增压设备包括电动马达，该电动马达联接到旋转组，以用于使旋转组围绕轴线在外壳内驱动地旋转。电动马达包括容纳在马达外壳内的定子。另外，该电增压设备包括热桥构件，该热桥构件在定子和马达外壳之间延伸，以限定热量从定子传递到马达外壳的热路径。另外，马达外壳包括热桥固持器构件，该热桥固持器构件由内轴向表面和上覆内轴向表面的插入件的坝壁协同地限定。坝壁限定热桥构件的外部边界，以将热桥构件固持在靠近电动马达的定子的位置中。

附图说明

下文将结合以下附图描述本公开，其中相同的数字表示相同的元件，并且其中：

图1是例如结合在燃料电池系统中的涡轮机械的示意图；

图2是根据本公开的示例实施例的涡轮机械的马达部段的剖视图；

图3是根据本公开的示例实施例的马达外壳和插入件的等距视图，该马达外壳和插入件协同地限定热流体固持器构件；

图4是在施加期间示意性地示出的图3的固持器构件和热流体的详细视图；

图5是图3的固持器构件的插入件的第一侧等距视图；和

图6是图3的固持器构件的插入件的第二侧等距视图。

具体实施方式

以下详细描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开或本公开的应用和用途。此外，并不意图受前面背景技术或以下详细描述中提出的任何理论的约束。

广义地，本文中公开的示例实施例包括具有可操作地附接的电机(诸如电动马达)的涡轮机械，该电机包括用于将操作温度保持在可接受范围内的热传递特征。涡轮机械可以包括所谓的“热桥构件”，诸如热化合物、热流体、热膏或用于限定将热量从涡轮机械传递走的热路径的其它热界面。因此，该电机可以在不急剧增加操作温度的情况下提供高度高效的性能。

在一些实施例中，涡轮机械可以包括热桥固持器构件。更具体地，电机可以容纳在电机外壳内，并且可以包括具有相对高的热导率的热流体(例如，热膏)，以提供用于热量从电机的定子传递出到外壳内并离开电机的热传导路径。在一些实施例中，这种构造可以提供在空气冷却电机中。

可以包括热流体固持器构件以用于将热流体相对于电机的定子固持在预定位置中。固持器构件可以设置成邻近并靠近定子的一个或多个轴向端匝。固持器构件可以限定接收和固持热流体的容器。热流体可以被施加并接收在容器内，并且当热流体固化时，固持器构件可以将热流体保持在容器内(并且因此靠近定子的端匝)。在电机和其外壳的组装期间，固持器构件还可以将热流体固持在适当位置中。

在一些实施例中，固持器构件可以包括多个容器，以用于固持单独量的热流体。因此，固持器构件可以包括用于单独量的热流体的单独容器，并且固持器构件可以将流体固持在靠近电机的定子构件的端匝区域的位置中。

此外，在一些实施例中，固持器构件可以由电机外壳构件(例如，端盖)的表面和可移除地附接到外壳构件的插入件协同地限定。在一些实施例中，插入件可以包括通过连接构件附接的多个坝壁(例如，连续带)，以提高制造效率。

因此，固持器构件可以用于热流体在定子的端匝区域上的高效施加。因此，在电机的操作期间，热量可以有效地向外并远离定子传递。因此，可以提高电机的效率。此外，可以以高度可制造的方式包括固持器构件。

图1是根据本公开的示例实施例的示例涡轮机械100的示意图。在一些实施例中，涡轮机械100可以结合到车辆的燃料电池系统102内。

通常，涡轮机械100可以被构造为电增压设备，诸如装备电机的涡轮增压器。然而，应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，涡轮机械100可以被不同地构造。如在图示实施例中所示，涡轮机械100可以大体上包括压缩机部段111、涡轮部段116和电机部段110。此外，涡轮机械100可以大体上包括外壳104和旋转组106，旋转组106支撑在外壳104内以围绕轴线108旋转。外壳104和旋转组107可以协同地限定压缩机部段111、涡轮部段116和电机部段110。另外，在一些实施例中，压缩机部段111和涡轮部段116可以沿着轴线108间隔开，其中电机部段110轴向地设置在两者之间。

在一些实施例中，电机部段110可以被构造为用于涡轮机械100的马达部段。因此，电机部段110可以包括电动马达122，其被构造成驱动旋转组106围绕轴线108旋转。然而，电机部段110可以被构造为用于从旋转组107的机械(旋转)能产生电能的发电机。在附加实施例中，电机部段110可以在一些模式下作为马达操作，并且可以在其它模式下作为发电机操作。

如图1中示意性地所示，马达122可以包括定子120和转子构件121。转子构件121可以固定到旋转组106的轴。定子120可以支撑在外壳104内。

压缩机部段111可以包括压缩机叶轮，该压缩机叶轮固定到旋转组106的轴，并且在外壳104的压缩机外壳构件内旋转。压缩机外壳可以包括围绕轴线108延伸的蜗壳通道。作为旋转的结果，压缩机部段111可以压缩轴向地接收的输入空气流112并将其作为加压空气流114径向地引导。该加压空气流114可以被引导到燃料电池系统102。

涡轮部段116可以包括固定到旋转组106的轴的相对端的涡轮叶轮。涡轮叶轮可以在外壳104的涡轮外壳构件内旋转。涡轮部段116可以被构造成接收来自燃料电池系统102的高压和高温排气流118。涡轮部段116可以传递和/或转换排气流118的能量。例如，涡轮部段116可以驱动旋转组106以驱动压缩机部段111中的压缩机叶轮的旋转。高压排气流118可以成为释放到下游排气管126中的低压排气流124。

从压缩机部段111，加压空气流114可以以比输入空气流112的温度增加的温度为特征。因此，空气流114可以被导送通过空气冷却器130(即，中间冷却器)，诸如对流冷却的空气冷却器。空气冷却器130可以被构造成耗散来自空气流114的热量，从而增加其密度。所得到的冷却且加压空气流132可以被导送到燃料电池堆140，或者备选地被导送到后续级串联压缩机中。

氢气可以从罐142供应到燃料电池堆140，并且氧气可以供应到燃料电池堆140以通过已知的化学反应产生电力。燃料电池堆140可以为诸如电动马达144的电气设备产生电力。

可以包括用于控制各种系统的控制系统145。控制系统145可以经由(多个)通信连接149连接到一个或多个部件。控制系统145可以是具有处理器、各种传感器和其它部件的计算机化系统，用于电控制马达144、燃料电池堆140和/或涡轮机械100的操作。另外，燃料电池系统102可以包括在诸如小轿车、卡车、运动型多功能车、厢式货车、摩托车等的车辆中。因此，在一些实施例中，电动马达144可以将电功率转换成机械功率，以驱动和旋转车辆的轮轴(和因此一个或多个车轮)。在这些实施例中，控制系统145可以结合在车辆控制单元内，该车辆控制单元控制多个附加车辆系统(例如，制动系统、空调系统等)。

因此，在操作期间，氧气可以至少部分地通过涡轮机械100提供到燃料电池堆140，如图1中所表示。更具体地，马达122可以驱动旋转组106的旋转，并且压缩机部段111可以在加压空气流流到堆140时向空气冷却器130提供加压空气流，并且来自堆140的排气流可以被供给回到涡轮部段116，以用于向马达122提供动力辅助。然而，应当理解，涡轮机械100的其它实施例落入本公开的范围内。例如，在一些实施例中，涡轮部段116可以省略，使得涡轮机械100包括电机部段110以及压缩机部段111。另外，在一些实施例中，涡轮机械100可以包括多个部段，诸如多个压缩机部段，这些压缩机部段连续地流体连接以包括供给第二(高压)级的第一(低压)级，该第二(高压)级最终供给燃料电池系统102。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，涡轮机械100可以设置在不同于燃料电池系统102的系统中。此外，涡轮机械100可以被构造为电动助力设备、电驱动压缩机组件、电动机械增压器、混合涡轮增压器、电增压器设备、电涡轮或其它相关部件。

现在参考图2，根据示例实施例更详细地示出了电机部段110。如图所示，部段110在第一端161和第二端162之间轴向地延伸。另外，马达122可以包括多个齿125以及轴向地延伸并包裹在齿125中的相应齿周围的绕组127。绕组127可以包括靠近相应齿125的第一轴向端161的第一匝129和靠近第二轴向端162的第二匝131。

此外，马达122可以容纳并大部分包封在外壳104的马达壳体150内。通常，马达壳体150可以是中空的壳状薄壁主体。马达壳体150的至少一部分可以表现出高热导率，以用于将热量从马达122传递出去并传递到围绕马达壳体150的区域。马达壳体150可以在其中包括内部马达腔体152。马达腔体152的大小和尺寸可以基本上对应于将嵌套并支撑在其中的马达122的定子120的大小和尺寸。马达122的转子构件121可以支撑在旋转组106的轴123上以与其一起旋转。轴123可以从马达壳体150的两个轴向侧延伸并伸出。否则，马达壳体150可以基本上容纳、包封和支撑马达122。

在一些实施例中，马达壳体150可以是圆柱形的和/或桶形的。另外，马达壳体150的大部分可以由帽170和套筒172协同地限定。

如图2和图3中所示，帽170可以是圆柱形的和盘形的，并且可以限定壳体150的第一轴向端161。套筒172可以是中空的和杯形的，并且可以限定壳体150的第二轴向端162。定子120可以接收在套筒172内，并且帽170可以固定地附接到套筒172的开口端以覆盖定子120。

如图2中所示，帽170可以包括限定马达腔体152的轴向边界的内轴向表面180。轴向表面180面向、跨越和覆盖定子120的匝129。在图2中，轴向表面180示出为平坦和平面的并且基本上垂直于轴线108；然而，应当理解，表面180可以是非平面的，并且可以包括多个表面特征，例如，根据马达腔体152内的内部部件成轮廓的特征。

帽170还可以包括径向孔口189(图2和图3)。径向孔口189可以是径向地延伸穿过帽170的边沿的细长狭槽。如图2中所示，径向孔口189可以允许一个或多个连接器线缆197等通过，用于给马达122供电和控制马达122。

电机部段110还可以包括至少一个热桥构件182。热桥构件182可以包括热膏(即，固化的热膏)和/或可以由其形成。因此，热桥构件182可以表现出高热导率。热桥构件182可以包括该导热材料的一个或多个垫184。垫184可以是在定子120的第一匝129和帽170的轴向表面180之间在厚度方向上(轴向地)延伸的薄垫。第一匝129可以至少部分地嵌入热桥构件182的材料内。此外，可以存在围绕轴线108均匀地间隔的多个垫184。在一些实施例中，可以存在六(6)个垫184，并且垫184可以靠近定子120的第一匝129中的相应的匝设置。

另外，如图2中所示，电机部段110可以包括一个或多个附加热桥构件183(即，第二热桥构件183)。第二热桥构件183可以基本上类似于第一热桥构件182，不同的是第二热桥构件183可以靠近第二端162设置并且可以设置在套筒172上。

此外，如图2和图3中所示，电机部段100可以包括热桥固持器构件200。通常，固持器构件200可以固持热桥构件182并限定其外部边界。因此，在一些实施例中，固持器构件200可以在定子120的匝129上将热桥构件182保持在适当位置中。

在一些实施例中，热桥固持器构件200可以至少部分地由插入件210限定(图2至图6)。插入件210可以是由聚合物材料制成的整体的、单件式件。插入件210可以包括通过内部连接构件214连接的多个带212。带212可以是多边形的(例如，具有四个边)，并且可以根据定子120的匝129的形状来成形。连接构件214可以是以轴线108为中心的环形带，并且可以连接带212的内部径向部分。因此，在一些实施例中，带212可以围绕轴线108均匀地周向地间隔开，并且可以从连接构件214向外辐射。该图案可以对应于定子120的第一匝129的布置、尺寸和位置。此外，插入件210可以至少围绕径向对称线220基本上对称(图6)。

插入件210还可以包括第一轴向侧217和第二轴向侧218。另外，在一些实施例中，插入件210可以包括具有轴向地延伸穿过其中的孔口232的突出部230。突出部230可以是圆柱形的和中空的，并且可以周向地设置在其中两个带212之间并且靠近连接构件214。突出部230可以从第一轴向侧217轴向地伸出。

如图2、图3和图4中所示，第一轴向侧217可以层叠在帽170的轴向表面180上。连接构件214可以环绕轴123并且可以以轴线108为中心。插入件210的第二轴向侧218可以朝向定子120延伸。突出部230可以被接收在帽170的通孔240(图2至图4)内。

因此，带212可以限定坝壁250，该坝壁250沿着端帽170的轴向表面180连续地延伸并从其轴向地伸出。因此，固持器构件200可以包括多个不同的容器202、204、206、208、210、212。如图3和图4中所示，容器202-212可以分别接收一定量的热桥构件182的材料，并且固持该材料以相对于定子120的匝129放置。

更具体地，在制造期间(在帽170和套筒172被附接之前)，插入件210可以层叠在帽170的轴向表面180上。然后，如图4中所示，热流体(例如，已知的热膏材料)可以从供应源260提供并由涂敷器262(例如，自动涂敷器)施加到容器202、204、206、208、210、212。在一些实施例中，材料可以施加在表面180的顶部上和坝壁250内，其中重力方向垂直于并指向表面180。

同时，定子120和马达122的其余部分可以设置在套筒172内。在一些实施例中，这可以包括在第二端162处的匝131和套筒172之间提供附加的热桥构件183。一旦附加的热桥构件183固化，包括在其中的套筒172和定子120等可以降低到帽170上，使得第一匝129嵌入容纳在容器202、204、206、208、210、212内的未固化的热流体内。应当理解，坝壁250可以将未固化的热流体固持在相应的容器202、204、206、208、210、212内。然后，热流体可以抵靠定子120的匝129并抵靠表面180固化，以限定热桥构件182的轴向边界。热流体也可以抵靠坝壁250固化，以限定热桥构件182的径向边界。一旦热流体被固化，灌封材料216(图2)可以从灌封材料供应源295(图4)经由通孔240和孔口232供应到马达腔体152中。

因此，热桥固持器构件200可以确保热桥构件182处于用于有效马达冷却的位置。桥固持器构件200可以提高制造效率，并且可以允许自动化、大批量制造。

应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，热桥固持器构件200可以被不同地构造。例如，在附加实施例中，插入件210可以被不同地构造，以使其独立地限定容器202、204、206、208、210、212。此外，插入件210可以不同地定位在马达壳体150内，以在相对于马达122的不同位置处提供热桥构件182。

虽然在前述详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量变型。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或构造。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供实现本公开的示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求书中阐述的本公开的范围的情况下，可以对示例性实施例中描述的元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (20)

1.一种涡轮机械，包括：

外壳，其包括电机外壳；

旋转组，其被支撑以在所述外壳内旋转；

电机，其被构造为电动马达和发电机中的至少一者，其可操作地联接到所述旋转组，并且其包括容纳在所述电机外壳内的定子；

热桥构件，其在所述定子和所述电机外壳之间延伸，以限定热量从所述定子传递到所述电机外壳的热路径；和

所述电机外壳，其包括限定所述热桥构件的外部边界的热桥固持器构件。

2.根据权利要求1所述的涡轮机械，其中，所述电机外壳包括横跨并覆盖所述定子的至少一部分的表面；

其中，所述电机外壳包括可移除地附接到所述电机外壳的插入件；并且

其中，所述插入件包括坝壁，所述坝壁和所述表面与所述表面配合以限定所述固持器构件。

3.根据权利要求2所述的涡轮机械，其中，所述坝壁是连续的。

4.根据权利要求3所述的涡轮机械，其中，所述坝壁是所述插入件的多个连续的坝壁中的一个，所述多个连续的坝壁经由连接构件连接。

5.根据权利要求4所述的涡轮机械，其中，所述多个连续的坝壁上覆所述表面以限定所述固持器构件的多个容器，所述多个容器限定所述热桥构件的相应的外部边界。

6.根据权利要求2所述的涡轮机械，其中，所述插入构件包括接收在所述表面内的突出部。

7.根据权利要求6所述的涡轮机械，其中，所述突出部包括延伸穿过所述突出部的孔口。

8.根据权利要求7所述的涡轮机械，还包括灌封材料，并且其中，所述孔口是用于从所述电机外壳构件外部注射所述灌封材料的灌封注射孔。

9.根据权利要求2所述的涡轮机械，其中，所述定子包括轴向端，其中，所述表面是面向所述定子的所述轴向端的轴向表面，并且其中，所述插入件层叠在所述轴向表面上，使得所述坝壁和所述轴向表面限定接收所述热桥构件的容器。

10.根据权利要求9所述的涡轮机械，其中，所述插入件包括多个连接的坝壁，所述多个连接的坝壁限定用于所述热桥构件的多个容器中的相应容器，所述多个容器围绕所述旋转组的旋转轴线布置。

11.一种制造涡轮机械的方法，包括：

提供包括电机外壳和固持器构件的外壳；

支撑旋转组以用于在所述外壳内旋转；

将电机可操作地联接到所述旋转组，所述电机被构造为电动马达和发电机中的至少一者；

使热桥构件在所述电机的定子和所述电机外壳之间延伸，以限定热量从所述定子传递到所述电机外壳的热路径；和

利用所述固持器构件限定所述热桥构件的外部边界。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括将热流体施加到所述固持器构件的容器中；和

固化所述容器内的所述热流体以限定所述热桥构件的所述外部边界。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电机外壳包括表面；并且

还包括将插入件上覆在所述表面上，所述插入件包括坝壁，所述坝壁和所述表面与所述表面配合以限定所述固持器构件的所述容器。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述坝壁是连续的。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述定子包括轴向端；

还包括将所述定子的所述轴向端降低到其中具有所述热流体的所述容器上。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括将灌封材料经由所述插入件中的孔从所述电机外壳的外部注射到所述电机外壳中。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括将所述插入件的突出部插入到所述电机外壳的通孔中；并且

其中，注射所述灌封材料包括将所述灌封材料注射到所述通孔中并穿过所述插入件的所述突出部。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述定子包括轴向端，其中，所述表面是所述电机外壳的轴向表面；并且

还包括组装所述电机外壳，其中所述轴向端面向所述轴向表面，并且所述热桥构件在所述定子的所述轴向端和所述轴向表面之间延伸。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述插入件包括多个连接的坝壁，所述多个连接的坝壁限定多个容器中的相应容器；

还包括使单独施加在围绕所述旋转组的旋转轴线布置的所述多个容器中所述热流体沉积。

20.一种电增压设备，包括：

外壳，其包括马达外壳，所述马达外壳具有内轴向表面；

旋转组，其被支撑以在所述外壳内旋转；

流体压缩机部段，其由所述外壳和所述旋转组协同地限定；

电动马达，其联接到所述旋转组，用于使所述旋转组围绕轴线在所述外壳内驱动地旋转，所述电动马达包括容纳在所述马达外壳内的定子；

热桥构件，其在所述定子和所述马达外壳之间延伸，以限定热量从所述定子传递到所述马达外壳的热路径；和

所述马达外壳，其包括热桥固持器构件，所述热桥固持器构件由所述内轴向表面和上覆所述内轴向表面的插入件的坝壁协同地限定，所述坝壁限定所述热桥构件的外部边界，以将所述热桥构件固持在靠近所述电动马达的所述定子的位置中。

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